Le transport maritime est un secteur crucial de l'économie mondiale, mais il est également un contributeur majeur aux émissions de gaz à effet de serre. Ce mémoire se penche sur la problématique de la décarbonation du transport maritime en explorant les solutions possibles pour réduire les émissions des bateaux, plus spécifiquement pour le rétrofit de bateaux déjà construit. Après une revue complète de la littérature, l'ammoniac est étudié comme une solution prometteuse pour la réduction des gaz à effet de serre. Ce mémoire examine les possibilités de l'utiliser en tant que transporteur d'hydrogène ainsi que ses propriétés de combustion. De plus, l'analyse porte sur les implications de l'utilisation de l'ammoniac sur les modifications à apporter à un moteur diesel. L'objectif principal du mémoire consiste à développer un banc d'essai pour un moteur diesel ammoniac et hydrogène et de fournir une preuve de concept permettant de déterminer la viabilité de cette technologie. Ce mémoire permet d'évaluer le potentiel de l'ammoniac comme solution de décarbonation pour le transport maritime et les résultats des simulations, analyses et tests du banc d'essai vont fournir des informations cruciales sur la viabilité de cette technologie prometteuse. / Maritime transport is a crucial sector of the global economy, but it is also a major contributor to greenhouse gas emissions. This thesis addresses the issue of decarbonizing maritime transport by exploring possible solutions for reducing ship emissions, more specifically for retrofitting existing ships. After a comprehensive literature review, ammonia is identified as a promising solution for reducing greenhouse gases. This thesis examines the possibilities of using ammonia as a hydrogen carrier, as well as its combustion properties. It also looks at the implications of using ammonia for diesel engine modifications. The main objective of the thesis is to develop a test bench for an ammonia-hydrogen diesel engine and provide a proof of concept to determine the viability of this technology. The dissertation assesses the potential of ammonia as a decarbonization solution for shipping, and the results of the test bench, simulations, analyses and tests will provide crucial information on the viability of this promising technology.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 juillet 2023) / Il existe un consensus selon lequel l'hydrogène vert pourrait aider à la décarbonation de certains secteurs à fortes émissions de gaz à effets de serre qui sont non électrifiables. L'objectif de ce mémoire est d'évaluer les coûts liés au déploiement de l'hydrogène dans trois utilisations potentielles au Québec, soit (1) le transport lourd, (2) la production d'acier et (3) l'exportation vers les marchés européens. Pour ce faire, nous recueillons les données techniques de chacune des technologies de la chaîne de valeur (production, conversion, stockage et transport) et modélisons celles-ci de façon économique. Sur la base des hypothèses retenues, nous montrons que l'hydrogène vert est un vecteur de remplacement énergétique intéressant dans le secteur du transport lourd et qu'un modèle de production décentralisé est à prioriser dans le déploiement d'un réseau de stations de ravitaillement. En revanche, nous démontrons qu'une substitution du gaz naturel dans la production d'acier ne sera pas rentable sur le plan économique d'ici 2050. Enfin, nous recommandons l'utilisation de l'ammoniac comme vecteur de transport dans le cas d'une exportation de l'hydrogène vers les marchés européens. / There is a consensus that green hydrogen could help decarbonize certain sectors with high greenhouse gas emissions that are not electrifiable. The objective of this thesis is to assess the costs associated with the deployment of hydrogen in three potential uses in Quebec, namely (1) heavy transport, (2) steel production, and (3) export to European markets. To do so, we gather technical data on each technology in the value chain (production, conversion, storage, and transport) and model them in an economic way. We show that green hydrogen is an interesting energy replacement vector in the heavy transport sector, and that a decentralized production should be prioritized in the deployment of a refueling station network. However, we demonstrate that substituting natural gas in steel production will not be economically feasible by 2050. Finally, we recommend the use of ammonia as a transport vector in the case of hydrogen export to European markets.

Le système électrique contribue de manière significative aux émissions mondiales de gaz à effet de serre. L'intégration des sources d'énergie renouvelable dans le système électrique est considérée comme une voie principale vers la décarbonisation. Cependant, l'augmentation de la pénétration des sources d'énergie renouvelable présente des défis, notamment des problèmes de flexibilité spatiale et temporelle et de congestion du système. La variabilité inhérente et la diversité géographique de nombreuses sources d'énergie renouvelable aggravent ces problèmes. Pour atténuer ces difficultés, l'expansion des réseaux de transmission d'électricité et l'adoption de solutions de stockage d'énergie sont nécessaires, ce qui entraîne une augmentation des dépenses opérationnelles et des investissements. Une alternative prometteuse et raisonnable consiste à utiliser des systèmes énergétiques multi-porteurs dans des systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables via les technologies de conversion d'énergie power-to-X et des solutions de stockage en vrac. L'efficacité d'un système énergétique multi-porteurs dépend du choix d'un vecteur énergétique approprié. L'hydrogène, en tant qu'alternative dans la transition énergétique durable, possède des caractéristiques chimiques et techniques qui en font un choix fiable en tant que vecteur énergétique prometteur. Malgré le potentiel des systèmes énergétiques à hydrogène pour la décarbonisation, des défis importants existent tant au niveau des composants qu'au niveau du système. Ces défis incluent l'absence d'un cadre d'intégration adéquat entre les systèmes énergétiques à hydrogène et les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables, ainsi que des structures de tarification et de commercialisation de l'hydrogène insuffisantes. De plus, un système de transport de l'hydrogène adéquat est nécessaire pour réduire les coûts associés aux retards de livraison et aux itinéraires temporaires imprévus. Pour mieux comprendre les limitations de l'adoption des systèmes énergétiques à hydrogène dans la décarbonisation du système énergétique et les solutions potentielles, une analyse critique a été menée dans cette thèse. Cette analyse couvre l'électrification et l'intégration des systèmes énergétiques à hydrogène, des sources d'énergie renouvelable et des systèmes énergétiques multi-porteurs. Les défis liés à l'intégration des systèmes énergétiques à hydrogène sont classés au niveau des composants et au niveau du système. Au niveau des composants, les aspects technologiques de la production, du stockage, du transport et du ravitaillement en hydrogène sont explorés. Au niveau du système, la coordination des systèmes énergétiques à hydrogène, les cadres de marché de l'hydrogène et les défis d'adoption sont évalués. Pour relever les défis de l'exploitation intégrée, cette thèse propose un mécanisme d'intégration à deux niveaux qui relie les contraintes d'exploitation et de planification. De plus, un cadre intégré pour les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et les systèmes énergétiques à hydrogène est proposé. Ce cadre inclut des systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables, des systèmes énergétiques à hydrogène, des systèmes de transport urbain, un mélange de charges électriques et électrifiées variables dans le temps, ainsi que des stockages d'hydrogène à court et à long terme. Dans le cas de la livraison d'hydrogène, cette thèse propose un système de transport d'hydrogène qui intègre les paramètres du système de transport urbain en utilisant une version étendue du problème de routage de véhicules. Ce système est conçu pour tenir compte des paramètres opérationnels des systèmes de transport urbain, tels que les contraintes de routage, la densité du trafic, la priorité de l'approvisionnement des charges sensibles, les retards de livraison potentiels et les coûts de dispatching de l'hydrogène. Des remorques-tubes à hydrogène sont utilisées pour livrer l'hydrogène à travers le système de transport urbain. De plus, un nouvel ensemble de contraintes pour intégrer les conditions de fonctionnement des systèmes de transport urbain est inclus. Un compromis entre la fiabilité du système et l'accessibilité économique est géré en attribuant des poids ajustables aux fonctions objectives opérationnelles. Pour répondre aux défis économiques, un mécanisme de tarification de l'hydrogène basé sur la synergie au sein du cadre intégré est proposé. Le mécanisme proposé est conçu en fonction du niveau de synergie entre les systèmes énergétiques à hydrogène et les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables au sein d'un cadre intégré de systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et de systèmes énergétiques à hydrogène. Cette approche représente avec précision les contraintes d'intégration dans le modèle de tarification. La programmation stochastique basée sur des scénarios et la méthode de direction alternée des multiplicateurs (ADMM) sont employées pour aborder les incertitudes dans la production d'énergie renouvelable. L'ADMM réduit les complexités du problème d'exploitation des systèmes intégrés de systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et de systèmes énergétiques à hydrogène et aide à quantifier les niveaux d'intégration. De plus, une approche d'échange de données est adoptée en utilisant l'ADMM pour améliorer l'échange de plans entre les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et les systèmes énergétiques à hydrogène. L'ensemble de la recherche évalue les avantages de l'exploitation intégrée par rapport à l'exploitation autonome, en se concentrant sur la flexibilité dans la production, le transport et le stockage de l'hydrogène. Les problèmes d'intégration des systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et des systèmes énergétiques à hydrogène, ainsi que des mécanismes de tarification de l'hydrogène, sont formulés comme un problème linéaire en nombres entiers. Ces problèmes sont résolus à l'aide du solveur Gurobi avec la boîte à outils YALMIP dans MATLAB et Pyomo dans Python sur un ordinateur de bureau équipé d'un processeur Intel(R) Core(TM) i7-6700HQ de 5e génération et de 16 Go de RAM. Les résultats mettent en évidence une production d'hydrogène rentable, une efficacité accrue et des avantages économiques dans le déploiement des sources d'énergie renouvelable grâce à la méthodologie d'intégration proposée. De plus, les mécanismes d'intégration et de tarification proposés permettent des améliorations tant dans les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables que dans les systèmes énergétiques à hydrogène, améliorant ainsi l'efficacité, le rapport coût-efficacité et la fiabilité globales du système. / The electric power system significantly contributes to global greenhouse gas emissions. The integration of renewable energy sources into the electric power system is viewed as a primary path toward decarbonization. However, increased penetration of renewable energy sources presents challenges, including spatial and temporal flexibility issues and system congestion. The inherent variability and geographical diversity of many renewable energy sources exacerbate these problems. To mitigate these issues, the expansion of power transmission networks and the adoption of energy storage solutions are necessary, leading to increased operational and investment expenditures. A promising and reasonable alternative involves employing multi-carrier energy systems in renewable-penetrated electric power systems via power-to-X technologies and bulk storage. The effectiveness of a multi-carrier energy system depends on selecting an appropriate energy carrier. Hydrogen, as an alternative in the sustainable energy transition, possesses chemical and technical characteristics that make it a reliable choice as a promising energy carrier. Despite the potential of hydrogen energy systems for decarbonization, significant challenges exist at both component and system levels. These challenges include the lack of a proper integration framework between hydrogen energy systems and renewable-penetrated electric power systems and deficient hydrogen pricing and marketing structures. Additionally, a proper hydrogen transportation system is needed to reduce costs associated with delivery delays and unplanned temporary routings. To better understand the limitations of hydrogen energy system adoption in energy system decarbonization and potential solutions, an analytical review has been conducted in this thesis. This review covers the electrification and integration of hydrogen energy systems, renewable energy sources, and multi-carrier energy systems. Hydrogen energy system integration challenges are categorized into component and system levels. At the component level, technological aspects of hydrogen generation, storage, transportation, and refueling are explored. At the system level, hydrogen energy system coordination, hydrogen market frameworks, and adoption challenges are evaluated. To address the integrated operation challenges, this thesis proposes a two-layer integration mechanism that bridges operation and planning constraints. Additionally, an integrated renewable-penetrated electric power and hydrogen energy system framework is proposed. This framework includes renewable-penetrated electric power systems, hydrogen energy systems, urban transportation systems, a mix of time-varying electric and electrified loads, and both short- and long-term hydrogen storage. In the case of hydrogen delivery, this thesis proposes a hydrogen transportation system that incorporates urban transportation system parameters using an extended version of the vehicle routing problem. This system is designed to accommodate operational parameters of urban transportation systems, such as routing constraints, traffic density, the priority of supplying sensitive loads, potential delivery delays, and hydrogen dispatching costs. Hydrogen tube trailers are used to deliver hydrogen across the urban transportation system. Additionally, a new set of constraints for incorporating urban transportation system operation conditions are included. A trade-off between system reliability and cost-affordability is managed by assigning adjustable weights to operating objective functions. To address economic challenges, a synergy-based hydrogen pricing mechanism within the integrated framework is proposed. The proposed mechanism is designed based on the level of synergy between hydrogen energy systems and renewable-penetrated electric power systems within an integrated renewable-penetrated electric power and hydrogen energy system. This approach accurately represents integration constraints within the pricing model. Scenario-based stochastic programming and the alternating direction method of multipliers (ADMM) are employed to tackle uncertainties in renewable power generation. The ADMM reduces the complexities of the integrated renewable-penetrated electric power and hydrogen energy system operation problem and helps in quantifying integration levels. Additionally, a data exchange approach is adopted using the ADMM to enhance plan exchange between renewable-penetrated electric power systems and hydrogen energy systems. The entire research evaluates the benefits of integrated versus stand-alone operation, focusing on flexibility in hydrogen generation, transportation, and storage. The integrated renewable-penetrated electric power and hydrogen energy system and hydrogen pricing mechanism problems are formulated as a mixed-integer linear problem. These problems are solved using the Gurobi solver with the YALMIP toolbox in MATLAB and Pyomo in Python on a desktop with a 5th generation Intel(R) Core(TM) i7-6700HQ CPU and 16GB RAM. The findings highlight cost-efficient hydrogen generation, enhanced efficiency, and economic benefits in renewable energy source deployment through the proposed integration methodology. Additionally, the proposed integration and pricing mechanisms demonstrate improvements in both renewable-penetrated electric power systems and hydrogen energy systems, enhancing overall system efficiency, cost-effectiveness, and reliability.